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1、工业设计机械基础,1 机械零件工作能力及变形形式 2 轴的拉伸和压缩 3 剪切和挤压 4 圆轴的扭转 5 弯曲 6 疲劳强度概述,第三章 机械设计力学基础,1,苍松课资,1 机械零件工作能力及变形形式,一、机械零件的工作能力,工作能力：机械零件不发生失效的安全工作限度。,失效：零件丧失工作能力或达不到设计要求。 破坏,常见失效形式：断裂、塑性变形、疲劳破坏、表面磨损、过大的弹性变形、连接松动、打滑等。,2,苍松课资,对受载零件而言，零件的工作能力为承载能力，主要包括强度和刚度两个方面。,强度：指零件在外载下抵抗断裂和塑性变形的能力。,刚度：指零件在外载下抵抗过大弹性变形的能力。,刚度不足影响强
2、度,刚度不足影响加工精度,3,苍松课资,二、机械零件变形的基本形式,1. 拉伸,2. 压缩,4,苍松课资,3. 挤压和剪切,4. 扭转,5. 弯曲,5,苍松课资,2 轴的拉伸和压缩,一、横截面上的内力和应力,F,F,6,苍松课资,外力 内力,平衡方程：Fx=0,FA=F,根据内力并不能判断轴的强度。,应力：截面上单位面积所受内力。,= A , A 内力（N） A横截面面积（mm2）,应力单位：MPa=N/mm2,根据应力也不能判断轴的强度。,7,苍松课资,二、金属材料的力学性能,低碳钢拉伸时的力学性能,标准试样 尺寸d0，L0,拉伸试验力-伸长量线图,消除尺寸影响： F 应力 =F/A0 l
3、应变 =l/L0,8,苍松课资,应力-应变线图,弹性阶段：Oa段+ab段，弹性变形，a点应力比例极限，b点应力弹性极限。,屈服阶段：bc段，不增大载荷时，应变明显增大，失去抵抗，称为屈服现象，最低点c点应力屈服极限s。 lim =s,强化阶段：cd段，增大变形，需增大拉力，称为材料的强化，最高点d点应力强度极限b。,颈缩阶段：de段，试件局部变细，出现颈缩现象，继续变形所需拉力减小，e点试样断裂。,9,苍松课资,伸长率：= 1 0 0 100%,断面收缩率：= 0 1 0 100%,10,苍松课资,铸铁拉伸时的力学性能,弹性变形无直线部分 无屈服现象和颈缩现象 断裂时强度极限不高，应变小,li
4、m =b,11,苍松课资,金属材料压缩时的力学性能,铸铁抗压能力大于抗拉能力。,12,苍松课资,胡克定律和泊松比,低碳钢拉伸试验时，在比例极限内，应力与应变成正比。,=,E弹性模量，碳钢一般E=190210 GPa,拉伸试验中，试样的横向尺寸变小，为横向应变。, =,泊松比，碳钢一般0.3。,13,苍松课资,三、轴向拉压的强度条件,零件轴向拉压时要满足强度条件： lim,塑性材料：lim= s，脆性材料：lim= b。,实际强度计算中，需留出一定安全裕度，引入许用应力。,= ,S安全系数，其取值要恰当，可查手册。,轴向拉压时的强度条件：,= ,A危险截面面积，mm2； F轴向力，N； 应力，M
5、Pa。,14,苍松课资,四、应力集中,零件截面突变的地方，应力急剧增大，即应力集中。,应力集中往往是零件破坏的根源，零件截面突变越明显，应力集中越大，因此设计零件时应减少截面突变。,15,苍松课资,例题：铁水包吊杆为矩形截面，尺寸如图。吊杆材料许用应力=80MPa，铁水包自重8kN，最多可装30kN重的铁水，试校核吊杆的强度。,16,苍松课资,3 剪切和挤压,FS剪力，F挤压力,17,苍松课资,剪切强度,= S ,挤压强度,bs= bs,两个零件相互挤压时，被挤压面受挤压应力：,18,苍松课资,4 圆轴的扭转,在外力偶矩作用下使轴发生绕轴线的转动，即扭转变形。,在物体对称两侧作用大小相等、方向
6、相反的一对力。,= 9.55106 ,P轴所传递的功率，kW； n轴的转速，r/min； T转矩，N mm,19,苍松课资,扭矩图,扭矩正负：右手螺旋法则,拇指背离截面为正 拇指指向截面为负,20,苍松课资,圆轴受扭转时，每个截面受切应力。,切应变：= ，扭角,=，切变模量,切应力分布如图，扭转强度条件为：, max = , T 抗扭截面系数， 圆轴 = 3 16 。,21,苍松课资,5 弯曲,外力垂直于杆件轴线，使轴线由直线变为曲线，即弯曲变形。,梁，载荷作用于纵向对称面。,22,苍松课资,一、弯曲内力,弯矩：M=FRAL1-F1(L1-a),剪力：FS=FRA-F1,23,苍松课资,弯矩正
7、负：,AC段：,M(x)=FRAx (0 xa),CB段：,M(x)=FRAx-F(x-a) (axL) =FRB(L-x) (axL),24,苍松课资,二、弯曲应力与强度条件,抗弯截面系数Wz：,矩形: = 2 6,圆形: = 3 32,弯曲应力分布,25,苍松课资,6 疲劳强度概述,一、载荷与应力的分类,载荷的分类,机器运转时载荷不均匀，分布也不均匀，故： 实际载荷名义载荷,K载荷系数,26,苍松课资,应力的分类,平均应力： m = max + min 2,应力幅： a = max min 2,循环特征：r = min max,27,苍松课资,r = -1 对称循环应力,r=0 脉动循环应力,非对称循环应力,28,苍松课资,静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。,在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏,29,苍松课资,最大应力远小于材料极限应力。,疲劳断口：无明显塑性变形的脆性突然断裂。,疲劳断裂是微观损伤累积到一定程度的结果。,产生微小裂纹,疲劳断裂具有以下特征：,断裂面累积损伤区：表面光滑；折断区：表面粗糙。,表面光滑,表面粗糙,二、疲劳破坏,30,苍松课资,